平面缝隙天线

1、，u一金2算实验报告（2012 / 2013学年 第 一 学期）课程名称课程设计实验名称平面缝隙天线实验时间2012/2013指导单位电子科学与工程指导教师学生姓名季明新班级学号b09020423学院（系） 电子科学与工程学院 专 业 电磁场与无线技术图3.2.2馈线宽度实验时间：10 月 15 日-10 月 19 日 8:30-11:3010 月 22 日-10 月 26 日 13:30-17:30实验设备与仪器1,硬件：pc机一台2,软件：hfss软件三、实验过程及成果验证3.1 设计要求实验hfssb件设计中心频率为3ghz的矩形微带天线，并给出其天线参数。 介质基片采用厚度为1mm的聚

2、四氟乙烯（er=2.2版，天线馈电方式为微带线馈电， 米用集总端口馈电。3.1.1 设计指标s11solution type(2)在弹出的 solution type9口中：选择 driven modal。(3)点击。侬钮，如图323.1.2。图3.2.3.1.2设置求解类型1.1.1.2 .3.设置模型单位(1)在菜单栏中点击modelerunits,在设置单位窗口中选择：mm(2)点击。侬钮，如图323.1.3。图3.3设置模型单位1.1.1.3 添加和定义设计变量在hfss定义和添加如表3.2.2所示的设计变量。从主菜单中选择hfssdesign propertie而令，打开设计属性对话

3、框，在该 对话框中单击 -1按钮，打开 add property对话框。在name文本框中输入第一个变脸名称 a，在value文本框中输入该变量的初始值130mm，然后 单击i一坐i按钮，即可添加变量 a到设计属性对话框中。变量的定义和添 加过程如图3.2.3.2.1所示。图3.2.3.2.1 定义变量使用相同的操作方法，分别按表3.2.2定义b,c,sub_l,sub_w,point,length,strip_w, cut_lh,cut_wh。定义完成后，确认设计属性对话框如图3.2.3.2.2pitfwrtjrs; sltit_anrpnn - hfssdesignllacal yitbe

4、l-hg vilui广 0tfc3b3 e*la-3r l twi广 s4htlllvitir 广 stlti elu-ee图 3.2.3.2定义所有变量后的设计属性对话框fc-iut口jufiflh5013trip_3a*%tcirl 2m2m1.1.1.4 设计建模3.2.3.3.1 .创建介质基片(1)在菜单栏中点击drawbox。(2)在属性(property)窗口中选择attribute标签，将该长方体的名字改为 substrate,在material中将材料设置为roger 5880,设置其透明度为0.6。如下图 3.2.3.1.1图 3.2.3.1.1 attribute 选项卡

5、(3)双击操作历史树substrate下的createbox节点，打开 command选项卡，在该选项卡中设置长方体的顶点坐标和尺寸。在 position文本框中输入顶点位置坐标(-sub_w/2,-sub_l/2,0)，在xsize, ysize和zsize文本框中分别输入长方体的宽，长，高： sub_w,sub_l, -1,如图 3.2.3.1.2。图 3.2.3.1.2 command 选项卡此时就创建好了名为substrate的介质基片。然后按 ctrl+d全屏显示创建的物体模型，如图3.2.3.1.33.2.3.3.2 .创建 gnd(1)点菜单栏中的draw按钮，选择rectang

6、l。(2)在属性(property)窗口中选择attribute标签，将该长方体的名字改为 gnd设置其透明度为0.8。(3)双击操作历史树 gnd下的createbox节点，打开command选项卡，在该选项卡 中设置长方形的顶点坐标和尺寸。在position文本框中输入顶点位置坐标(-sub_w/2,-sub_l/2,0mm),在xsize, ysiz成本框中分别输入长方形的宽，长：sub_w,sub_l,如图3.2.3.2.1。图 3.2.3.2.1(4)设置gnm理想边界。在菜单栏中选择editselectby name在对话框 中选择gnd,点击ok)在菜单栏中选择hfssbound

7、ariesassignperfect 口理 想边界设置窗口中，将理想边界命名为 perfe_gnd点击oe如图3.2.3.2.2pefkt e boundarynot |fwie_gnd|i-amlhw hslfa |ok. |ca-cd图3.2.322 创建gn皿理想边界3.2.3.33创建缝隙slot(1)点菜单栏中的draw按钮，选择rectangl。(2)在属性(property)窗口中选择attribute标签，将该长方体的名字改为 cut,设置其透明度为0.8。(3)双击操作历史树 gnd下的createbox节点，打开command选项卡，在该选项卡 中设置长方形的顶点坐标和尺寸

8、。在 position文本框中输入顶点位置坐标(-cut_l/2,-cub_w/2,0mm),在xsize, ysize文本框中分别输入长方形的长，宽：sub_l,sub_w,如图3.2.3.3.1.图 3.2.3.3.1(6)将cut减去。在菜单栏中点击editselectby name在弹出的窗口中按ctrl依次选择 cut,gnq 在菜单栏中点击 modelerbooleansubstrate,在弹出的 substrctm话框 中 clone tool objects before subtract复选框不选。如图 3.2.3.3.2图 3.2.3.3.2点击。阎束，slot做好如图3.

9、 323.3.3图323.3.2创建缝隙slot3.2.3.3.4. 绘制 stripfeed(1)点菜单栏中的draw按钮，选择rectangl。(2)在属性(property)窗口中选择attribute标签，将该长方体的名字改为 stripfeed设置其透明度为0.5。(3)双击操作历史树 stripfeed下的createbox节点，打开command选项卡，在该选 项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。在position文本框中输入顶点位置坐标( point,-sub_l/2,-1mm )，在xsizg ysize文本框中分别输入长方形的宽，长： strip_w,length(4)为st

10、ripfeed设置边界。选择 stripfeed在菜单栏中选择 hfssboundariesassignperfect e在理想边界设置窗口中，将理想边界命名为perfe_s点击ok3.2.3.3.5. 绘制 feed(1)选择zxrw,应一三回，皿 口 点菜单栏中的draw按钮，选择rectangl(2)在属性(property)窗口中选择attribute标签，将该长方体的名字改为 feed设置其透明度为0.6。(3)双击操作历史树 stripfeed下的createbox节点，打开command选项卡，在该选 项卡中设置长方形的顶点坐标和尺寸。在position文本框中输入顶点位置坐标

11、(point ,-sub_l/2 ,-1mm)，在 xsize, zsize文本框中分别输入长方形的宽,长： strip_w,1mm.(4)设置集总端口激励，)选中操作历史树 stripfeed,然后单击鼠标右键，选才a assignexcitationlumped port,打开lumped port对话框，在name文本框中输入端口名 称p1,在resistance，reactance文本框中分别输入在 50ohm, 0ohm。然后单击下 一步，打开modes对话框。在integration line中单击none ,在其下拉菜单中 选才? new line,划积分线。如图3.2.3.5图

12、3.2.3.5完成后的集总端口3.2.3.3.6. 口 air box(1)在菜单栏中点击drawbo%(2)在属性(property)窗口中选择attribute标签，将该长方体的名字改为air, 在material中将材料设置为vacuum,设置其透明度为0.9。(3)双击操作历史树 air下的createbox节点，打开 command选项卡，在该选项卡中 设置长方体的顶点坐标和尺寸。在position文本框中输入顶点位置坐标(-b/2,- a/2,-c/2),在xsize, ysize和zsize文本框中分别输入长方体的宽，长，高： b,a,c。(4)创立辐射边界，选中 air,右击选

13、择assign boundaryradition命令，保持默认 设置不变。3.2.3.4 求解设置模型建完后，设置中心频率和扫描频率，点击hfssanalysis setupaddfrequency sweep、选择 add solution setup将频率设置为 3gh4设置扫描频率，将start设置为1gh4 stop设置为10ghz, step sizes置为 1ghz,设置完成后，点击hfssvalidation check查错误，确认没有错误后，再 点击hfssanalyze qll开始仿真。3.2.3.5 设计检查和运行仿真计算3.2.3.5.1 右击results点，在弹出的菜

14、单中 create modal solution datareportrectangular plot 命令，在 quantity选中 s(p1,p1)b function中选择 db。单 击 report 成 s1侦口 图 3.2.5.1图 3.2.5.1从分析结果中可知，天线的谐振频率 6.4ghz,而我们设计的中心频率为3gh,所以接下来要进行设计优化，使天线的谐振频率落在3ghzo3.2.3.6 参数扫描分析根据理论分析可知，微带缝隙天线的谐振频率主要由馈线的长度，馈点， 缝隙的长度决定，首先对馈点进行参数扫描，分析谐振频率随馈点位置改变的关 系，如图 3.2.3.6.1.13.2.3

15、.6.1 馈点的影响图 3.2.3.6.1.1由图3.2.3.6.1.1知，馈电位置的选择对谐振频率点的影响很大，对回波损耗 s11影响也很大，在14-15之间比较好，然后再对馈点进行 14-15之间的0.1步 长的扫描分析，得到图3.2.3.6.1.2 ,取馈点位置为14.4mmi优化范围为14-14.6mmb图 3.2.3.6.1.23.2.3.6.2馈线长度的影响馈线要到达缝才可以馈电，因此馈线的长度要大于介质板长度的一半，又馈线没有必要超出介质板，因此馈线的长度小于介质板点的长度，即sub_l/2vlengthiaoc -20 00 -.25 00犯崎 44)00x plot 2l-f

16、ssdeaiyil4.5.0050. qol&ngth rnm(55.00图 3.2.3.6.2.1由图3.2.3.6.2.1知，馈线的长度对谐振频率有影响，但影响不是很明显。只有在40-43之间谐振频率为6ghz,其余的情形即length43时，谐振频率点 都为3ghz且在46mm寸有较大回波损耗，故对 length从45至47继续进行扫 描分析，取步长为0.1mm扫描结果如下图323.6.2.2二qldjw图 3.2.3.6.2.2由图323.6.2.2知，在馈线长为 45,9mm时，达到的回波损耗最大，为 -35.4392db,优化范围为 45.4mm-46.1mm。3.2.3.6.3

17、缝隙长度的影响缝隙的长度为半个波长左右，对于自由空间，中心频率为3ghz的波长的一 半为50mm,而对于er=2.2的介质板说，其波长的一半为33.7mm,我们对缝长 进行33mm-50mm的扫描，步长为1mm,结果如图3.2.3.6.3.1图 3.2.3.6.3.1由图3.2.3.6.3.1知，缝的长度对谐振频率点的影响较大，谐振频率点的频率 随着缝长的增大而降低，这一变化趋势符合波长公式f=v/入。注意到谐振频率为 3ghz时，缝长在40-41之间有较低的回波损耗，我们再对缝长进行40mm-41mm 的扫描，步长为0.1mm,结果如图3.2.3.6.3.2图 323.6.3.2由图323.

18、6.3.2知，在缝长为 40.2mm时，回波损耗 s11稳定，因此取 cut_l=40.2mm,优化范围为 40-40.4mm。3.2.3.6.4 缝隙宽度的影响因为缝隙有宽窄是与馈线的宽度相比较的，而馈线的宽度为3mm,窄缝的情况下缝的宽度要小于 3mm,我们对缝宽进行0.5mm-3mm的扫描，结果如图 3.2.3.6.4由图3.2.3.6.4可知：在缝宽为1.1mm时，s11最小，天线性能最好，注意 到缝宽为1.2mm的m2那点，s11发生突变，因此缝宽的优化范围应不包括m3那点，取优化区间0.6mm-1.1mm。3.2.3.6.5 馈线宽度的影响因为馈线用的是微带线，而微带线的宽度是严格

19、与介质（er）,中心频率（fo）,微带线的厚度（h）相关的，由于本模型的er, fo, h已经确定，因此微带线的宽度 已经确定了，最优的微带线宽度不会变化太大，对微带线宽度进行2.5mm-3.5mm 的扫描，步长为0.1mm,结果如图3.2.3.6.5an soft corparalknxy pfot 1mfssdesign.1ldlqu?一里图 323.6.5由图323.6.5知，微带线的宽度为3mm,且变化的斜率较大，没有必要继 续进行优化。3.2.3.7查看优化后的天线性能3.2.3.7.1 优化后的参数经过以上对主要影响天线辐射性能的参数进行扫描分析，我们得到这些参数的优化值和优化区间

20、，如下表3.2.3.7.1表 3.2.3.7.1辐射表面介质板馈线缝隙abcsub_lsub_wpointlengthstrip_wcut_lcut_w优化值（mm）13010050805014.445.9340.21.1可优化区间（mm）14-14.645.4-46.140-40.40.6-1.13.2.3.7.2天线性能查看将各优化后的参数代入模型，扫频设置为从2.5ghz-3.5ghz,步长0.01ghz, 重新运行仿真。3.2.3.7.2.1 查看 s11 参数图 3.2.3.7.2.1从图3.2.3.7.2.1可以看出，此时的谐振频率为 3ghz,在3ghz处的s11值 约为-43.

21、27db,远远达到指标所定的-15db。3.2.3.7.2.2查看电压驻波比vswr攻皿一aiaitsfreqhzi图 3.2.3.7.2.23*5hfssdtsignl从图3.2.3.7.2.2可以看出，此时的谐振频率为 3ghz,在3ghz处的vswr值约为1.0155,且在2.9ghz-3ghz电压驻波比小于2,天线性能良好。3.2.3.7.2.3查看sii的smith圆图结果namefreqanamtgrxnt1z9fk116.7b31d.02810.9738 *o.-d*gchm2iftj5370.dq771.-0147*0.0&wim3301 do-42.34063。10491-也

22、窗据图 3.2.3.723从图3.2.3.7.2.3可以看出，3ghz时的归一化阻抗为(1.0147+j0.0049),达到 了很好的匹配状态。3.2.3.7.2.3查看输入阻抗与辐射臂尺寸的关系3.2.3.7.2.3.1输入阻抗与缝隙长度的关系图 3.2.3.7.2.3.1由图323.723.1知，缝的宽度主要影响输入阻抗的虚部，缝宽在 39-40之 间输入阻抗的虚部接近0,图上的ml点为优化值，其输入阻抗虚部为 0.2435q, 与m2相比，输入阻抗的虚部没有 m2理想，但ml的输入阻抗为50.7364q,而 m2的输入阻抗为26.5682q,在与特性阻抗为50q的传输线匹配方面，ml明显

23、 优于m2。因此缝长取 ml对应的缝长40.2mm。3.2.372.3.2 输入阻抗与缝隙宽度的关系对缝隙宽度进行0.5mm-3mm扫描，步长为0.1mm,结果如图323.723.2图 323.7.2.3.2由图3.2.3.723.2知，缝的宽度主要影响输入阻抗的实部，缝宽在 0.7-1.1之 间输入阻抗的实部接近50q,图上的ml点为优化值，其输入阻抗实部为50.7q, m2点输入阻抗实部为48.2q,相差不是很大，但在缝宽为1.2mm处存在突变点， 到缝宽为1.5mm的m3点又较为理想。因此缝宽的取值应按实际情况而定， 此处 应取m1对应的缝宽1.1mm。3.2.372.3.3 输入阻抗与

24、馈线长度的关系对馈线长度进行 45mm-55mmh描，步长为 1mm结果如图3.2.3.7.2.3.3图 3.2.3.7.2.3.3由图3.2.3.7.2.3.3知，输入阻抗的随着馈线长度的增加而增大，馈线长度在45mm-47mm之间变化时输入阻抗从41 q增加到65q,变化明显。3.2.372.3.4 查看方向图3.2.3.7.2.4.1 查看e面h面的方向图要查看天线的远区场计算结果，首先要定义辐射表面，而辐射表面是在球坐 标系下定义的，在球坐标系下，xz平面相当于4=0的平面，yz平面相当于4=90 的平面。下面定义 -0和产90的平面为辐射表面。在 phi角度对应的start, sto

25、p和step size文本框中分别输入 0deg,90deg,90deg在theta角度对应的start, stop和step size文本框中分别输入-180deg,180deg,1deg生成的e面h面如下 图 323.724.1eh planee.planeh rane图 3.2.3.7.2.4.1由图323.724.1知，虚线为e面，趋近于圆，h面为实线，为“8”形，与理 论相符合。3.2.3.7.2.4.2 查看三维增益方向图首先要定义三维立体球面为辐射表面。在 phi角度对应的start, stop和step size文本框中分别输入 0deg,360deg,1deg在theta角度

26、对应的start, stop和step size文本框中分别输入1deg,180deg,1deg生成的三维增益方向图如下图db(ga-intotal)4.675he+000 2.6760c+0006.7659e-001-i. 32266+000-3.3222e+000-5.3217e+000-7.32116+000-9.3205e+000-1.3319e+001-1,s819e+001-1.7318e+001-1.9318e+001-2.1317e+001-2,3316e+001-2, s31 be+001-2.7315e+0011.1320e+001 -jp图 323.7.2.4.23.2.

27、4不同形状的缝对天线性能的影响选用圆形的缝，馈线的宽度和窄缝的一样，都取 3mm,影响缝隙形状为圆 缝的微带缝隙天线的谐振频率和回波损耗 sii的主要因素有馈线的长度，馈点， 圆缝的半径，介质板的宽度。经过对这些参数扫描后优化步骤后， 我们得到这些 参数的优化值和优化区间,如下表 3.2.4abcsub_lsub_wpointlengthstrip_wcut_r优化值(mm)130120508045.514.744.9322.4可优化区间(mm)45-45.814.6-14.944.6-45.422-23表 3.2.43.2.4.1 天线性能查看将各优化后的参数代入模型，扫频设置为从2.5ghz-3.5ghz,步长0.01ghz, 重新运行仿真。3.2.4.1.1 查看s11参数图 3.2.4.1.1从图3.2.4.1.1可以看出，此时的谐振频率为3.01ghz,在3ghz处的s11值约为-26.56db,达到指标所定的-15db。3.2.4.1.2 查看电压驻波比vswr图 3.2.4.1.2从图3.2.4.1